大型水環(huán)真空泵的低氣壓穩(wěn)定及調(diào)節(jié)的方法

秦杰， 鄒祁峰， 李光健， 陳暉， 謝俊杰， 陳藝天

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所， 廣東 廣州 511370）

0 引言

伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展， 航空航天領(lǐng)域的裝備日趨于大型化、 復(fù)雜化， 發(fā)熱量大， 并不斷地向高可靠性產(chǎn)品轉(zhuǎn)型。 相應(yīng)的低氣壓綜合試驗(yàn)箱的研制也在往大型化方向發(fā)展來(lái)滿足試驗(yàn)需求， 例如： 在大容積的低氣壓環(huán)境下注入大流量輔助冷卻空氣時(shí)能有較大的抽真空能力來(lái)穩(wěn)定箱內(nèi)的壓力變化， 因此研制大型、 大抽真空能力的綜合低氣壓試驗(yàn)箱尤為重要， 而其中最為關(guān)鍵的就是大型真空泵。 本文以大型水環(huán)真空泵在低氣壓試驗(yàn)設(shè)備中的使用為研究方向， 如何控制和調(diào)節(jié)大型水環(huán)真空泵的抽真空能力使其在降壓過(guò)程中不過(guò)沖， 注入大流量輔助冷卻空氣時(shí)能保持期間的壓力值穩(wěn)定， 滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)要求。

1 水環(huán)式真空系統(tǒng)的低氣壓值不可控問(wèn)題分析

1.1 試驗(yàn)條件剪裁

目前國(guó)內(nèi)模擬機(jī)載設(shè)備在其工作中遇到的溫度、 壓力急劇變化環(huán)境的適應(yīng)性的標(biāo)準(zhǔn)多是以GJB 150.6—1986 《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法 溫度-高度試驗(yàn)》[1]作為剪裁， 該標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)試驗(yàn)要求及實(shí)施方法做出了相關(guān)描述和規(guī)定。 而作為剪裁標(biāo)準(zhǔn)GJB 150 標(biāo)準(zhǔn)具有很大的靈活性[2]。

剪裁條件分為兩個(gè)階段， 如下所述。

a） 第一階段為低溫低氣壓試驗(yàn)階段， 在-55 ℃和7.5 kPa 下保持4 h， 然后加電1 h 進(jìn)行性能測(cè)試， 期間通風(fēng)散熱， 完成后結(jié)束[2]。

b） 第二階段為高溫低氣壓試驗(yàn)階段， 在60 ℃和11.5 kPa 下保持4 h， 然后加電1 h 進(jìn)行性能測(cè)試， 期間通風(fēng)散熱， 完成后結(jié)束； 散熱是采用直接風(fēng)冷散熱方式， 輔助冷卻空氣為5 ℃、144 Nm3/h[2]。

根據(jù)上述的方法歸納出試驗(yàn)程序， 如表1所示。

表1 試驗(yàn)程序

1.2 試驗(yàn)條件實(shí)施難度

機(jī)載設(shè)備分別在低溫低氣壓試驗(yàn)段和高溫低氣壓試驗(yàn)段進(jìn)行性能測(cè)試， 期間要進(jìn)行散熱通風(fēng)， 而輔助冷卻空氣由風(fēng)管注入機(jī)載設(shè)備中并排到低壓環(huán)境中， 因低壓環(huán)境下突然注入大流量的空氣， 導(dǎo)致真空泵的抽氣壓能力不能滿足通風(fēng)量要求， 造成箱內(nèi)的低氣壓值波動(dòng)甚至恢復(fù)到常壓。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)于機(jī)載設(shè)備低壓環(huán)境下注入輔助冷卻空氣有兩種解決方法： 1） 從機(jī)載設(shè)備的前端進(jìn)再?gòu)哪┒说娘L(fēng)管出， 使風(fēng)形成一個(gè)閉環(huán)送出箱外；2） 將輔助冷卻空氣的風(fēng)量盡量地控制在真空泵的抽真空能力內(nèi)。 不過(guò)， 當(dāng)面臨較大的輔助冷卻空氣風(fēng)量和機(jī)載設(shè)備末端的出風(fēng)口無(wú)法接風(fēng)管并將風(fēng)排出箱外時(shí)， 以上兩種方法均無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

1.3 水環(huán)真空泵存在的問(wèn)題

目前， 國(guó)內(nèi)環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備廠商面對(duì)低氣壓環(huán)境下需注入大流量的輔助冷卻空氣的試驗(yàn)需求， 以及整機(jī)和大型試樣開(kāi)展試驗(yàn)需要低氣壓環(huán)境的需求， 正在積極開(kāi)展?jié)M足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的大型低氣壓綜合試驗(yàn)設(shè)備的研究。 本論文以佶締納士真空泵某系列的液環(huán)水環(huán)真空泵抽真空為研究方向， 其真空泵抽氣壓值理論指標(biāo)是3.3 kPa， 實(shí)際運(yùn)用在10 m3的設(shè)備時(shí)， 低氣壓值最低達(dá)2 kPa （左右其中包含設(shè)備連接密封處的漏氣）， 基本涵蓋了機(jī)載設(shè)備相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的低氣壓范圍。

由于水環(huán)真空泵自身結(jié)構(gòu)工作方式的原因， 導(dǎo)致實(shí)際使用中雖然設(shè)置了規(guī)定值， 但是抽氣壓時(shí)還是會(huì)有超過(guò)設(shè)定值的情況。 例如： 對(duì)上述試驗(yàn)條件中的7.5 kPa 進(jìn)行抽氣壓的時(shí)候， 在接近7.5 kPa后會(huì)繼續(xù)往下降到2.8 kPa 左右， 如圖1 所示。 因此滿足不了試驗(yàn)要求， 更滿足不了不同的低氣壓環(huán)境下注入不同的輔助冷卻空氣時(shí)能保持低氣壓值的穩(wěn)定的要求， 如果應(yīng)用到低氣壓試驗(yàn)設(shè)備中， 就極容易因?yàn)閷?shí)際值超過(guò)設(shè)定值而造成試驗(yàn)樣品損壞，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐砂踩鹿省?后來(lái)嘗試調(diào)整PLC控制系統(tǒng)的參數(shù)來(lái)改變真空泵的工作特性又導(dǎo)致抽氣壓時(shí)間延長(zhǎng)、 壓力降不下去、 輔助冷卻空氣注入箱內(nèi)時(shí)會(huì)恢復(fù)常壓等問(wèn)題。 如何將水環(huán)真空泵的抽氣壓控制在規(guī)定的試驗(yàn)要求下， 這是需要進(jìn)行研究的問(wèn)題。

圖1 低氣壓值超過(guò)設(shè)定值

2 水環(huán)式真空泵的結(jié)構(gòu)和工作原理

對(duì)于有諸多形式的真空泵， 水環(huán)式真空泵具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 運(yùn)行經(jīng)濟(jì)和適用范圍廣等特點(diǎn)， 它由葉輪“泵體” “吸排氣口” 輔助管道等組成[3]， 具體的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。 從圖2 中可以看出， 葉輪被偏心地安裝在泵體中。 當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)， 在離心力的作用下， 水被拋向四周， 形成一個(gè)與泵腔形狀相似的封閉水環(huán)。 水環(huán)的外表面和泵腔接觸， 內(nèi)表面與葉片接觸， 葉輪輪轂與水環(huán)之間形成若干個(gè)月牙形小腔。 當(dāng)葉輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)， 由于偏心布置的影響， 單個(gè)小腔的容積由小變大， 腔室內(nèi)的壓強(qiáng)不斷地降低， 當(dāng)壓強(qiáng)低于被抽容器內(nèi)的氣體壓強(qiáng)時(shí)， 氣體就從吸入口進(jìn)入小腔， 這就是吸氣過(guò)程[3]。 隨著葉輪的繼續(xù)旋轉(zhuǎn)， 小腔的容積逐漸地減小， 壓強(qiáng)不斷地增大， 直到氣體的壓強(qiáng)大于排氣壓強(qiáng)時(shí)， 被壓縮的氣體從排氣口被排出[3]。 這樣， 在泵的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中， 氣體沿著葉輪的軸向不斷地被吸入和排出， 從而達(dá)到連續(xù)抽氣的目的[3]。

圖2 真空泵結(jié)構(gòu)

正是水環(huán)真空泵這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致無(wú)法通過(guò)變頻器來(lái)調(diào)節(jié)控制氣壓值。 例如： 試驗(yàn)中會(huì)要求改變氣壓值， 將相對(duì)規(guī)定轉(zhuǎn)速改為變速運(yùn)行時(shí)， 會(huì)造成臨界壓縮比下降； 低速工作導(dǎo)致頻率太低時(shí)， 電機(jī)轉(zhuǎn)速慢， 液環(huán)無(wú)法建立； 抽真空效果變差， 導(dǎo)致真空泵腔內(nèi)面臨水和空氣的阻力， 嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致泵超電流燒壞。 如果高速工作時(shí)頻率過(guò)高， 而水泵腔內(nèi)的容積太小會(huì)造成滯后現(xiàn)象， 致使容積損失增加，導(dǎo)致泵閥撞擊嚴(yán)重而造成真空泵的磨損。

3 水環(huán)真空系統(tǒng)低氣壓值控制方法

3.1 真空泵抽速公式推導(dǎo)

設(shè)試驗(yàn)箱內(nèi)膽體積為v， 其內(nèi)氣壓值為P1， 內(nèi)膽與真空泵之間無(wú)管道連接， 故試驗(yàn)箱內(nèi)膽中和出氣口處的氣體壓強(qiáng)在任何時(shí)刻都等于真空泵入氣口處壓強(qiáng)。 真空泵從內(nèi)膽中的氣壓等于外界環(huán)境氣壓P1=P1＇， 開(kāi)始抽氣， 內(nèi)膽中的氣壓便開(kāi)始下降； 經(jīng)過(guò)dt 時(shí)間， 真空泵抽走的氣體量等于內(nèi)膽中氣體減少的量， 也等于內(nèi)膽出氣口處的抽氣量， 即：

式（1） 中： SN——真空泵的抽速， 單位為L(zhǎng)/s。

將式（1） 變?yōu)橄率剑?即：

真空泵對(duì)內(nèi)膽進(jìn)行抽氣時(shí)， 外界環(huán)境中的空氣總是要向內(nèi)膽一些密封不好之處漏氣， 例如： 試驗(yàn)箱的大門(mén)與箱內(nèi)接合處。 隨著內(nèi)膽中氣體的壓強(qiáng)降低， 單位時(shí)間漏入內(nèi)膽的氣體隨之增加， 在單位時(shí)間里真空泵抽走的氣體量減去漏入內(nèi)膽的氣體量等于內(nèi)膽氣體實(shí)際減少的量， 即：

式（3） - （4） 中： U漏為內(nèi)膽漏氣處的漏導(dǎo)，它是由內(nèi)膽密封不好之處的尺寸而定的， 當(dāng)抽氣時(shí)間達(dá)到試驗(yàn)箱規(guī)定的時(shí)間t=t0時(shí)， 內(nèi)膽中的氣壓相應(yīng)地要達(dá)到規(guī)定的最低氣壓P1=P1″； U漏的單位為L(zhǎng)/s。

由于真空泵抽氣時(shí)間t=t0時(shí)， 內(nèi)膽中的氣壓P=P1″， 使得真空泵抽走的氣體量等于外界環(huán)境漏入內(nèi)膽的氣體量， 此時(shí)內(nèi)膽中的氣體量不發(fā)生變化， 即內(nèi)膽中的氣壓對(duì)時(shí)間的變化率為零， 即：

式（5） - （6） 中： P1是外界環(huán)境的氣壓， 對(duì)于試驗(yàn)箱， 一般P1＞P1″， 很顯然SNmin＞U漏， 因此真空泵在抽氣過(guò)程中SN＞U漏。

經(jīng)上述公式分析， 簡(jiǎn)單歸化得出下式：

由公式（7） 可以看出， 當(dāng)漏氣U漏固定時(shí)，真空泵的有效抽速SN與需要達(dá)到的預(yù)氣壓值P1″呈反比例關(guān)系。 SN越大， 需要預(yù)氣壓值P1″ 越小，這就是造成P1″ 的實(shí)際值大于設(shè)定值的原因。

由SN=U漏/P1″ 可以得出P1″ =U漏/SN， 從該式中可以看出， 假設(shè)真空泵的有效抽速SN是固定最大上限， 將真空系統(tǒng)的漏氣U漏作為調(diào)節(jié)量， 增加它的漏氣量， 從而保證預(yù)氣壓值P1″ 線性下降規(guī)定的值并保持不變的目的。

3.2 水環(huán)真空泵系統(tǒng)的改造

針對(duì)水環(huán)真空泵的抽壓速率過(guò)強(qiáng)和固定的問(wèn)題， 通過(guò)增加適當(dāng)?shù)穆膺M(jìn)行了抵消。 在大真空泵真空主管道焊接出數(shù)量合理的管道并在末端處安裝電動(dòng)調(diào)節(jié)球閥， 如圖3 所示。 并在進(jìn)氣端加裝消聲器來(lái)提高安全性和減少噪聲。 將電動(dòng)調(diào)節(jié)球閥電源線和信號(hào)線與箱體PLC 控制器系統(tǒng)相連， PLC 控制系統(tǒng)根據(jù)I/O 檢測(cè)到的壓力值和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)合度等數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)PID 運(yùn)算， 并通過(guò)PID 控制通道合理地調(diào)節(jié)電動(dòng)調(diào)節(jié)球閥組的進(jìn)氣量， 以平衡水環(huán)真空泵的抽速固定和過(guò)強(qiáng)保證氣壓值的穩(wěn)定性， 而且注入的風(fēng)量只到真空泵管道而不到箱內(nèi)， 不影響箱內(nèi)的真空和溫度環(huán)境。 改造后的真空系統(tǒng)示意圖和改造結(jié)構(gòu)如圖4-5 所示。

圖3 電動(dòng)球閥

圖4 改造結(jié)構(gòu)

由此一來(lái)， 就解決了水環(huán)大真空泵抽氣壓過(guò)沖和穩(wěn)定性的問(wèn)題。

圖5 真空系統(tǒng)示意圖

4 應(yīng)用案例結(jié)果

通過(guò)加裝電動(dòng)調(diào)節(jié)球閥后， 通風(fēng)量在250 Nm3/h 時(shí)， 低氣壓值最低可降到7.5 kPa。 將剪裁的試驗(yàn)條件進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證， 在接近7.5 kPa 氣壓后注入流量153 Nm3/h、 5 ℃的輔助冷空氣， 氣壓緩慢地下降， 到達(dá)7.5 kPa 后壓力值穩(wěn)定沒(méi)有波動(dòng)， 誤差控制在0.5 kPa 內(nèi)， 如圖6a 所示。

根據(jù)本試驗(yàn)程序的條件分別在7.5、 11.5 kPa處注入輔助冷卻空氣時(shí)均能控制低氣壓值的穩(wěn)定，試驗(yàn)結(jié)果滿足要求， 如圖6b 所示。

在低氣壓值26.4 kPa 時(shí)注入208 Nm3/h 的輔助冷卻空氣均能使低氣壓值穩(wěn)定， 如圖6c 所示。

圖6 實(shí)踐驗(yàn)證的試驗(yàn)曲線

5 調(diào)節(jié)極限低氣壓值方法

5.1 控制供水量

通過(guò)改變水環(huán)真空泵腔室內(nèi)注水量的大小來(lái)控制氣壓值， 以實(shí)現(xiàn)水環(huán)真空泵的抽真空能力大小。水是液環(huán)形成的重要因素， 水和真空泵腔內(nèi)的容積有一定的比例關(guān)聯(lián)， 所以腔內(nèi)的水量是有合理范圍的， 供水量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致電機(jī)超載和啟動(dòng)時(shí)容易把機(jī)械密封頂壞； 太少又不能形成真空， 或者把機(jī)械密封干磨造成損壞。 所以能調(diào)節(jié)的真空范圍有限， 適合固定或者極限的氣壓值。

5.2 控制供水溫

通過(guò)控制注入水環(huán)真空泵腔內(nèi)的供水水溫來(lái)控制氣壓值。 水溫度過(guò)高的話， 循環(huán)水會(huì)發(fā)生汽化現(xiàn)象， 由液態(tài)轉(zhuǎn)換成汽態(tài)， 水環(huán)式真空泵所抽的氣體包含了箱內(nèi)氣體與泵腔內(nèi)的氣體， 所以氣壓值偏高。 反之， 想要?dú)鈮褐蹈停?則需降低水溫。 水溫一般以5~35 ℃為宜。 適合固定或者極限氣壓值。

6 結(jié)束語(yǔ)

目前， 國(guó)內(nèi)對(duì)大型低氣壓綜合設(shè)備的研制還處于不太完善階段， 本文通過(guò)對(duì)真空泵的抽速公式的推導(dǎo)對(duì)大型水環(huán)真空泵系統(tǒng)進(jìn)行了改造， 結(jié)果表明： 實(shí)施較為簡(jiǎn)單的改造就能夠解決水環(huán)真空泵的抽氣壓過(guò)沖的難題， 從而拓寬了設(shè)備抽氣壓的范圍， 使得試驗(yàn)設(shè)備滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的溫度-濕度-高度帶輔助冷卻空氣的單應(yīng)力或多應(yīng)力組合的試驗(yàn)要求， 并且能將氣壓的變化速率控制在一定的時(shí)間內(nèi)， 保持氣壓值的穩(wěn)定性。 另外還從多方面分析了影響水環(huán)氣壓值的因素。 大型水環(huán)真空泵應(yīng)用在環(huán)境可靠性試驗(yàn)設(shè)備中的優(yōu)點(diǎn)是含水蒸汽環(huán)境提供大抽力運(yùn)行， 不用擔(dān)心抽低氣壓時(shí)水蒸汽對(duì)真空泵的影響， 相較于其他類(lèi)型真空泵也易以保養(yǎng)和維護(hù)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 成本低、 經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。 本論文結(jié)合試驗(yàn)工程應(yīng)用中的案例進(jìn)行了試驗(yàn)實(shí)施， 從而為水環(huán)真空泵在大型低氣壓綜合試驗(yàn)設(shè)備中的應(yīng)用提供了理論研究基礎(chǔ)， 也給大型低氣壓綜合試驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)人員提供了一些思路。